Pulsed coherent and squeezed driving of a spin-$S$ emitter as a deterministic source of Wigner-negative light

Nel campo della tecnologia quantistica, la luce non è solo un raggio che illumina una stanza; è uno strumento delicato capace di trasportare informazioni in modi che la fisica classica non può spiegare. Per molte applicazioni avanzate, come la costruzione di computer quantistici o la realizzazione di misurazioni ultra-precise, gli scienziati hanno bisogno di una luce che si comporti in modo distintamente strano. Questo comportamento è spesso descritto da una mappa matematica chiamata distribuzione di Wigner, che funge da carta topografica per lo stato quantistico della luce. Su questa mappa, la maggior parte della luce ordinaria, come quella di un puntatore laser, appare come una collina positiva e liscia. Tuttavia, gli stati quantistici della luce più utili possiedano delle valli "negative" su questa mappa. Queste regioni negative sono una firma definitiva del fatto che la luce si sta comportando in un modo impossibile per gli oggetti classici, segnando un'essenza preziosa per la prossima generazione di tecnologie. La sfida è sempre stata come creare questi stati negativi in modo affidabile. Storicamente, gli scienziati hanno dovuto affidarsi alla fortuna, generando la luce e poi sperando che una misurazione confermasse che avesse funzionato, un processo lento ed inefficiente.

Un team di ricercatori dell'Università di Auckland ha trovato un modo per aggirare questa dipendenza dal caso. Hanno dimostrato, attraverso dettagliate simulazioni al computer, che possono generare questi preziosi stati negativi di luce su richiesta, utilizzando un metodo che è sia deterministico che altamente efficiente. Il loro approccio prevede l'impatto di un impulso di luce breve e controllato su un minuscolo emettitore, un sistema simile a un atomo che può esistere in diversi stati energetici. Modellando attentamente l'impulso e la tempistica dell'interazione, possono costringere la luce che lascia l'emettitore a trasformarsi in uno stato con profonde valli negative sulla sua mappa di Wigner. I ricercatori hanno scoperto che questo metodo produce una luce con un livello di stranezza quantistica molto superiore rispetto a quanto fosse precedentemente possibile con flussi continui e costanti di luce. Hanno dimostrato che, regolando la forza e la forma dell'impulso in arrivo, potevano creare stati quantistici specifici e altamente complessi, inclusi quelli che assomigliano a un singolo fotone che è stato traslato nello spazio, o persino forme più esotiche che sembrano una sovrapposizione di due diversi stati "squeezed" (compressi).

Lo studio inizia esaminando un semplice sistema a due livelli, che agisce come un interruttore di base che può essere acceso o spento. Quando questo sistema viene colpito da un impulso di luce coerente, i ricercatori hanno osservato che la luce in uscita può essere sintonizzata per esibire forti caratteristiche negative. Hanno scoperto che la quantità di negatività non aumenta in modo semplice e costante all'aumentare della forza dell'impulso; al contrario, fluttua in un modello complesso. Utilizzando tecniche di ottimizzazione per trovare la combinazione perfetta di larghezza dell'impulso e tempistica, hanno identificato una configurazione specifica che produce uno stato molto vicino a uno stato di singolo fotone spostato. Questa è una scoperta significativa perché suggerisce un modo affidabile per creare un elemento fondamentale per il calcolo quantistico senza dover filtrare i risultati indesiderati. Le simulazioni hanno mostrato che questo stato ottimale ha un volume negativo, una misura di quanta "quanticità" sia presente, che è più di cinque volte superiore a quanto ottenuto in esperimenti precedenti utilizzando metodi di guida costante.

I ricercatori hanno poi ampliato la loro indagine verso emettitori più complessi, sistemi che possono contenere più di solo due livelli di energia, simili a un quadrante con molteplici impostazioni piuttosto che a un semplice interruttore. Hanno scoperto che guidare questi sistemi a spin più elevato con impulsi di luce produce risultati ancora più drammatici. All'aumentare della complessità dell'emettitore, la quantità di negatività nella luce in uscita cresceva significativamente. Per un sistema con spin tre quarti, il volume negativo ha raggiunto livelli che superano di gran lunga qualsiasi altro metodo deterministico attualmente noto. Le forme di questi nuovi stati iniziarono a somigliare a modelli di molteplici fotoni, suggerendo che questa tecnica potrebbe essere utilizzata per generare deterministicamente stati con numeri specifici di particelle, una capacità che è attualmente molto difficile da raggiungere.

In una seconda linea di indagine, il team ha sostituito gli standard impulsi di luce coerente con impulsi di luce "squeezed". La luce squeezed è un tipo speciale di luce in cui l'incertezza in una proprietà è ridotta a scapito di un'altra, rendendola uno strumento potente per la precisione. Quando hanno guidato il semplice sistema a due livelli con questi impulsi squeezed, gli stati di luce risultanti apparivano come stati "Schrödinger cat" (gatto di Schrödinger), ovvero sovrapposizioni di due distinte realtà quantistiche. Questi stati sono molto apprezzati per il loro potenziale uso nel calcolo quantistico con correzione degli errori. Le simulazioni hanno rivelato che il metodo a impulsi ha nuovamente superato i metodi a stato stazionario, producendo stati con valli negative molto più profonde. I ricercatori sono stati in grado di perfezionare la compressione (squeezing) e la tempistica dell'impulso per massimizzare questo effetto, trovando un punto ottimale in cui lo stato generato era quasi identico a un teorico stato cat squeezed.

Forse la scoperta più sorprendente è arrivata quando hanno applicato impulsi squeezed a un emettitore di spin uno, un sistema con tre livelli di energia. Qui, la fisica ha preso una piega unica. L'interazione tra la luce squeezed e il sistema a tre livelli ha prodotto uno stato in cui la componente a due fotoni era quasi completamente assente. Nella luce in uscita, la probabilità di trovare esattamente due fotoni era soppressa, mentre altri numeri di fotoni rimanevano. Questo fenomeno, che i ricercatori chiamano "esclusione a due fotoni", crea un modello a griglia che ricorda un tipo specifico di codice di correzione dell'errore quantistico noto come stato GKP. Questi stati sono considerati il "sacro Graal" per la costruzione di computer quantistici robusti perché possono proteggere le informazioni dal rumore. Le simulazioni hanno mostrato che la luce generata in questo modo condivide un alto grado di somiglianza con questi ideali stati GKP, offrendo un nuovo potenziale percorso per crearli deterministicamente.

In tutto il loro lavoro, i ricercatori hanno sottolineato che questi risultati derivano da rigorose simulazioni numeriche di un sistema a cascata, dove la luce fluisce da una sorgente, attraverso un emettitore, e in una cavità di cattura. Hanno modellato attentamente come gli impulsi di luce interagiscono con l'emettitore e come la tempistica degli impulsi influenzi lo stato finale. Hanno anche esplorato come le imperfezioni, come la luce che fuoriesce nella direzione sbagliata o l'emettitore che è leggermente fuori sintonia con la luce, influenzerebbero i risultati. La loro analisi ha mostrato che, sebbene tali imperfezioni riducano la qualità degli stati negativi, l'effetto centrale rimane robusto finché il sistema è ragionevolmente ben sintonizzato. Lo studio conclude che passando dalla guida continua alla guida a impulsi, e utilizzando emettitori con diversi numeri di livelli energetici, è possibile generare una vasta gamma di stati di luce altamente non classici. Questo lavoro fornisce un progetto teorico per una sorgente deterministica di luce con negatività di Wigner, avvicinando il campo alla realizzazione pratica di tecnologie quantistiche che dipendono da questi fragili e potenti stati della materia.